融合信息技術(shù)的高中物理創(chuàng)新微課程設(shè)計

摘 要：以“運動的合成與分解”章節(jié)中的“繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題為例，基于SOLO分類理論設(shè)計了多維素養(yǎng)遞進式微課程，并進行了實踐。探討在TPACK視角下融合信息技術(shù)的高中物理創(chuàng)新教學及評價方式，以期更有效地落實物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；創(chuàng)新微課程；信息技術(shù)；速度關(guān)聯(lián)；TPACK

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0084-3

收稿日期：2024-04-15

基金項目：廣東省中小學教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0專項科研課題“在中學物理創(chuàng)新課程中融合信息技術(shù)的實踐研究”（TSGCKT2023102）。

作者簡介：陳宏林（1986-），男，中學高級教師，主要從事中學物理信息化教學研究。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確指出，高中物理教材應(yīng)有效地利用信息技術(shù)［1］。這包括通過信息技術(shù)平臺獲取課程資源、利用信息技術(shù)進行互動交流以及使用信息技術(shù)工具進行輔助教學等方面。目前，在國內(nèi)的中學物理教學中，信息技術(shù)的應(yīng)用主要是以輔助教學為主。例如，在課堂教學中使用PPT或動畫演示，或者在物理實驗中使用數(shù)字采集器等。缺少對信息技術(shù)的深度融合，不利于提升學生的信息素養(yǎng)和物理核心素養(yǎng)。本文以“運動的合成與分解”中有約束的“繩”速度關(guān)聯(lián)問題為例，基于TPACK和SOLO理論設(shè)計了一套深度融合信息技術(shù)的物理創(chuàng)新微課程。

1 TPACK及SOLO理論簡介

TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）即整合技術(shù)的學科教學知識，由學者科勒和米什拉于2005年在舒爾曼的學科教學知識PCK的基礎(chǔ)上提出的［2］。它包含了學科知識、教學知識、技術(shù)知識以及它們相互交融衍生出來的整合性知識（圖1），它既強調(diào)信息技術(shù)的有機組成，又深刻指向?qū)W科素養(yǎng)，是物理學科信息技術(shù)融合教學的重要理論工具。

SOLO分類理論是由皮亞杰的認知階段理論發(fā)展而來，它提供了可觀察的學習成果的結(jié)構(gòu)。該理論將學習成果（思維層次）劃分為五個邊界清晰且易于測量的結(jié)構(gòu)（圖2），包括前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)、多點結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和拓展結(jié)構(gòu)。這五個結(jié)構(gòu)與高中物理學科核心素養(yǎng)的五個水平相對應(yīng)，可在TPACK框架下作為融合教學評價的理論工具。

2 速度關(guān)聯(lián)問題微課程前設(shè)計

在高中物理必修二“運動的合成與分解”中，速度關(guān)聯(lián)是一個難點。特別是在有約束的情況下，學生更難準確解決該難點。其根源在于學生對于運動正交分解的獨立性缺乏深刻的理解。基于此，以一道有約束的“繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題為例，運用TPACK框架，整合情境問題、SOLO分類理論、視頻分析以及計算機數(shù)值模擬等多個元素，設(shè)計了一套創(chuàng)新的微課程（表1），力求覆蓋學生認知發(fā)展的所有水平，以促進學生高階思維的發(fā)展。

3 微課程教學環(huán)節(jié)實施與評價

3.1 “繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題簡單情境——前結(jié)構(gòu)、單點結(jié)構(gòu)

如圖3所示，通過視頻和PPT展示簡單的“繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題。師生共同探討速度分解的平行四邊形法則，研究了小船與繩連接點的速度及方向，并最終確定將連接點的運動分解為沿著“繩”方向的收縮分運動，以及以滑輪為中心且垂直于“繩”的擺動分運動。需要注意的是，擺動分運動對于滑輪和小船之間的繩長變化沒有影響。在這個過程中，學生逐漸形成了矢量運算法則、分運動的獨立性以及輕繩長度守恒等方面的單點認知。

3.2 有約束“繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題——多點結(jié)構(gòu)

如圖4甲所示，兩根不可伸長的繩索繞過定滑輪系在木箱上端，兩人以豎直向下的恒定速度v0拉繩索，當繩索與豎直方向的夾角均為θ時，求木箱速度大小。

方法一：如圖4乙所示，令物體上升速度為v，沿兩繩分解，分速度為v1，則有：v=2v1cosθ。由速度關(guān)聯(lián)v1=v0，得v=2v0cosθ。

方法二：如圖4丙所示，考慮對稱情況，等效為物體沿一根豎直桿上升，速度沿繩和垂直于繩分解，v1=vcosθ。由速度關(guān)聯(lián)v1=v0，得v=v0 /cosθ。

以上兩種木箱速度的分解方法均依據(jù)矢量運算法則，且沿繩分速度關(guān)聯(lián)相等，為何會得到兩種不同的結(jié)果？通過此環(huán)節(jié)引入思維沖突，激發(fā)學生形成對矢量投影和正交獨立性各知識點的關(guān)聯(lián)認知。

3.3 利用視頻分析和數(shù)值模擬進行實證研究——關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

師生共同探討了對以上結(jié)果進行驗證的技術(shù)手段，包括頻閃照相、速度傳感器、視頻分析軟件Tracker以及常用辦公軟件WPS等。

第一小組學習了如何使用Tracker軟件，包括創(chuàng)建質(zhì)點、自動搜索和分析等步驟。他們錄制了視頻并將其導(dǎo)入軟件進行分析，將質(zhì)點A的速度進行正交分解，并與質(zhì)點B的速度進行比較，如圖5甲所示。通過分析圖5乙的結(jié)果，可以得知這兩個速度都是變化的，并且變化趨勢是一致的。然而，由于軟件在角度跟蹤分析方面存在誤差，手機錄像的幀率較低，以及手動拉動物體運動變化不均勻等原因，導(dǎo)致兩個速度之間存在差異，無法得出確切的結(jié)論。

另一小組則建構(gòu)了一個理想運動模型，如圖6所示。圖中，質(zhì)點A和B分別代表與“繩”關(guān)聯(lián)的兩個端點。他們利用WPS進行數(shù)值模擬計算，這種方法操作簡便易上手，只需在表格中編寫公式進行遞進運算。雖然這種方法相對比較原始，但它是大型數(shù)值計算的基礎(chǔ)，有助于提升學生的信息素養(yǎng)水平。

先對系統(tǒng)進行初始化，令d=1 m、v0=1 m/s、θ0=30°，質(zhì)點B以v0向下勻速運動，計算步進為Δt=0.005 s。質(zhì)點A的近似速度為v=Δy/Δt，v0 /cosθ和2v0cosθ兩值取Δt內(nèi)初、末時刻速度的均值。對比這三個速度計算值，結(jié)果如表2所示。

對表2分析可知，方法二的結(jié)果是正確的。若將質(zhì)點A的速度沿兩繩分解，由于兩分量并非正交，另一分量對沿繩分量的“收縮”運動有影響。若將此分量進一步投影到繩方向，可得到v1+v1cos2θ=v0。因此，解決此問題的關(guān)鍵在于“繩不可伸長”這個約束條件。從能量角度看，輕繩對兩端點連接的物體做功之和為0，即Tvcosθ-T'v0=0。至此，學生可形成對矢量運算相關(guān)知識點的關(guān)聯(lián)認知。

3.4 非正交矢量運算問題——拓展結(jié)構(gòu)

通過以上內(nèi)容的學習，學生能理解垂直于繩子的擺動分速度不影響沿繩的收繩分運動，即正交情況下兩個分運動完全獨立。這種矢量的正交獨立性在其他矢量運算問題中是否也存在呢？

在如圖7甲所示的正交力場中，動能定理可以單獨“應(yīng)用”在豎直方向或水平方向。在如圖7乙所示的勻強電場中，建立直角坐標系xOy，已知OA=OB=1 cm，φO=1 V，φA=2 V，φB=0 V，θ=30°。由場強與電勢差的關(guān)系E=U/d，求得y和OB方向的分場強，再合成出合場強的結(jié)果是錯誤的。

在非正交情況下，電勢差的變化不僅與該方向的分場強相關(guān)，還受到另一方向分場強的影響，即電勢在某個方向上的變化是由合電場決定的。通過解決這個問題，關(guān)于“矢量正交獨立性”的認知由“速度關(guān)聯(lián)問題”拓展到各類矢量運算，使ND1vRA83gbF0imW31ak2Sg==學生的認知達到了更高的層次。

4 結(jié) 語

從有約束的“繩”模型速度關(guān)聯(lián)問題出發(fā)，拓展到其他矢量投影問題，突破了思維慣性，使學生從低階思維向高階認知轉(zhuǎn)變，并利用SOLO分類評價將多個維度的素養(yǎng)整合在一起。開創(chuàng)了高中物理創(chuàng)新微課程的新思路和新方式，有助于物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］黃全安，郭洋.TPACK視角下高中物理教學的路徑優(yōu)化——以“自由落體運動”教學為例［J］.物理教學，2024，46（2）：16-20.

［3］Deng X M，Wang M H，Chen H L，et al. Learning by progressive inquiry in a physics lesson with the support of cloud-based technology［J］. RESEARCH IN SCIENCE & TECHNOLOGICAL EDUCATION，2019（6）：308-328.

（欄目編輯 賈偉堯）